第十章-千兆位以太网PPT课件

2020/4/27,.,1,高级计算机网络,2020/4/27,.,2,内容提要,10.1概述10.2.千兆位以太网的模型10.3路由技术10.4载波扩充10.5帧突发10.6半双工方式10.7全双工方式10.8光纤通信技术10.9千兆以太网技术的应用10.10未来的10Gbps以太网,2020/4/27,.,3,10.1概述,基于千兆位网络的分布式计算需要千兆位网络。如卡内基梅隆大学利用HIPPI连接Cray-MP及CM-2计算机，以处理大型化工厂的任务调度。再如，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员利用CM-2及另一超级并行机进行海洋与大气层交互作用的并行处理模型的研究，目的在于模拟几十年的长期天气效益，每单元计算时间约为100ns，交换数据约5MB至10MB。以上这些计算显然需要Gigabit网络。,2020/4/27,.,4,10.1概述,1998年6月29日，千兆以太网联盟于加利福尼亚PALOALTO正式宣布了千兆以太网标准IEEE802.3Z。这是千兆以太网发展的里程碑。千兆以太网使用802.3以太网帧格式，允许以1000Mbps的速率进行半双工、全双工操作。按IEEE802.3x的规定，通过全双工、交换方式连接的两个节点可同时发送、接收数据包。千兆以太网在双工操作模式中延续同样的标准。而且千兆以太网采用标准以太网的流控方法避免网络拥塞和超载。在单工操作模式中，千兆以太网也采用同样的CSMA/CD基本访问方法，解决共享介质的访问冲突问题。千兆以太网与10BASE-T、100BASE-T技术的地址向后兼容。,2020/4/27,.,5,10.1概述,2020/4/27,.,6,10.1概述,2020/4/27,.,7,10.1概述,*德国的RERKOM研究环境中铺设了大量光纤，购置了高速网及高性能工作站。目前主要研究ATM技术。*AT(2)超过65536比特后的效率增益小。,2020/4/27,.,46,俘获效应,成功发送的DTE比遭遇冲突的DTE有更高的机会发送新的帧。这导致一个DTE可以长时间发送，而别的DTE却不能。俘获效应提高了网络吞吐率却导致不公平。有些DTE可能遇到大幅度变动的访问等待时间。这不利于等待时间敏感的应用。频繁的冲突可能引起包丢失。在千兆位以太网中,时间段以8的倍数增加。每次冲突后的后退延迟以更快的速率增加。这会使得别的DTE有更长的时间传输数据。俘获效应会被帧突发放大。,2020/4/27,.,47,帧突发的作用,（1）帧突发实际上可以帮助减轻俘获效应（2）在帧突发中，只有第一个帧可能发生冲突，其余的帧则不可能。（3）通过允许主机发送多个帧，从而更快地清空发送队列，帧突发提高了它的效率。（4）其它DTE在帧突发期间更少地冲突，所以它们的后退时间不会很快增加。（5）相对于基本的载波扩充，帧突发实际上提高了网络的性能。（6）当突发长度增加时，延迟实际上减小了。（7）这是因为通过增加突发定时器，重负载的DTE可以更加高效地发送帧，从而提高总体的效率。,2020/4/27,.,48,半双工方式,2020/4/27,.,49,半双工工作,工作在1000Mbps半双工模式时，物理层设备采用GMII接口，接收任何输入信号，中继信号到除了输入端口之外的其余端口。所有成员共享带宽。在一个碰撞域中只能有一个中继器碰撞域就是网络直径。2个或更多的碰撞域可以用桥、交换机或者路由器互连。,2020/4/27,.,50,半双工工作,2020/4/27,.,51,半双工工作方式比特预测分析,比特预测分析包括检查任何一对DTE的往返碰撞延迟，以及最大往返碰撞延迟应该小于时间段，即4096比特时间。往返延迟（RTD）=DTE延迟+链路延迟+中继器延迟+安全余量链路延迟=段长度（m）*（电缆延迟/m）,2020/4/27,.,52,10.7全双工方式,全双工方式下，发送和接收路径无关，所以DTE之间不存在帧冲突。DTE之间的距离受链路和收发器的特性限制。,2020/4/27,.,53,全双工网络结构,2020/4/27,.,54,全双工中继器带缓存的分发器,有了带缓存的分发器，所有使用基于帧的流量控制的链路都是全双工的。中继器配置有几个端口，每个端口包括物理层、MAC子层控制器和缓存。所有输入的帧以FIFO方式缓存一种存储转发操作。一个调度程序把帧从输入FIFO队列转发到所有输出FIFO队列，没有冲突。如：端口1输入的帧缓存在队列1，然后被转发到端口2和3的队列中。链路长度只受物理特性限制。,2020/4/27,.,55,全双工中继器,2020/4/27,.,56,全双工中继器拥塞控制,使用基于802.3x的流量控制处理拥塞。用循环调度程序或者帧转发程序在最大1000Mbps速率转发帧。拥塞（Congestion）检测如下:（1）输入速率总计=端口数*1000Mbps（2）输出速率合计=1000Mbps（3）如果输入速率输出速率，拥塞发生了,2020/4/27,.,57,全双工中继器拥塞控制,拥塞控制机制（ControlMechanism）采用:（1）一个发生拥塞的实体发送暂停（定时器）给源，让它停止发送（2）当拥塞减轻时，发送暂停（定时器=0）恢复帧发送,2020/4/27,.,58,10.8光纤通信技术,光纤通信从80年代中期以来，取得了很大的发展。光纤通信以其优良的带宽特性，廉价的成本成为电信网的主要传输手段。光通信本质上属于电磁载波通信。其波段从光区段中选择，包括红外光，可见光和紫外光频率。在光在光频率段进行通信，调调制带宽显著增大（光频率段所具有的可利用带宽大约是无线电射频波段的105倍）：通信容量有显著提高，并且价格与传统电信通信相比要低廉的多。其传输性能好，损耗低；抗电磁干扰，中继距离高长。用光纤通信的器件要比电信通信器件尺寸减小很多。,2020/4/27,.,59,10.8光纤通信技术,2020/4/27,.,60,光纤通信,数据信号一般是电信号，经过光电转化调制成光信号，由光发送机发送至光纤传输系统。短距离通信不需要中继器。对于长距离通信，由于光缆损耗和光纤连接器损耗等原因，需要对光信号进行放大，整形再生，即中继后再继续传输，光检测器的任务是对接收到信号进行光电转换，经过消除噪声，放大后恢复数据信息。,2020/4/27,.,61,光纤通信,按照所传输的信号分类，可将光纤通信系统分为光纤模拟传输系统和数字传输系统。模拟传输系统是在畸变尽可能小的情况下传输波形；而数字传输方式是把所要求的信息转换成二进制信号，并调制后发送传输。可利用脉冲调试方式副载波方式进行调制。光纤数字通信具有抗干扰性强，传输质量高，无噪声积累，易于计机接口和控制管理等优点，数字传输方式是光纤通信发展的方向，可最终实现BISDN。,2020/4/27,.,62,光纤通信,光纤通信近十几年来取得了飞速的发展。广泛应用于长途干线通信，主干网，高质量电视传输等领域。80年代末的PDH到目前主流的同步数字系列(SynchronousDigitalHierachy,SDH)，相关的通信技术也有了很大的提高。为了更好的利用带宽，提高传输效率在光域上采用了各种复用技术，如时分复用（TDM），波分复用（WDM）。发展的方向，可最终实现BISDN。,2020/4/27,.,63,光纤通信,光纤通信近十几年来取得了飞速的发展。广泛应用于长途干线通信，主干网，高质量电视传输等领域。80年代末的PDH到目前主流的同步数字系列(SynchronousDigitalHierachy,SDH)，相关的通信技术也有了很大的提高。为了更好的利用带宽，提高传输效率在光域上采用了各种复用技术，如时分复用（TDM），波分复用（WDM）。发展的方向，可最终实现BISDN。,2020/4/27,.,64,同步数字系列,同步光纤网络SONET(SynchronousOpticalNetwork)是电信标准SDH簇的一个重要组成部分，它的目的是代替传统电缆主干线路的话路信令。许多研究人员认为，电信行业将逐步采用SONET帧格式。发展SDH的目的是改变目前低速链路上三种标准的现状(美国标准、日本标准和ITU标准)。例如，美国采用T1标准将24个64kb/s的话音电路复路复用到1.5Mb/s的链路上，而ITU则将32个话音电路复用到速率为2Mb/s的E1电路上。而人们希望在高速链路上只有一种复用标准。SONET是按帧传递数据，在逻辑上每帧由90列9行字节组成。表10.8标明了SONET网络定义的带宽范围。对于OC-n的数据速率，传送单位为n帧，单个OC-n的帧由n个OC-1帧组成。,2020/4/27,.,65,同步数字系列,2020/4/27,.,66,波分复用,传统电气数字通信采用时分复用（TDM）频分复用（FDM）方法提高传输效率，降低传输成本。随着光纤通信网络的快速发展，对传输系统的扩容方式也从电复用逐渐转变为光复用方式。光复用分为光时分复用（TDM），波分复用（WDM），码分复用（CDM）。TDM目前已日益接近技术极限，没有太多潜力可挖。光波分复用（WDM）的出现，第一次把复用技术从电域转移到光域，直接对光信号复用，标志着光通信时代的到来。采用WDM技术充分利用了光纤的巨大带宽资源，使客量迅速扩大几倍至几百倍。在大容量长途传输时，可以节约大量光纤和再生器从而大大降低传输成本。由于WDM传输技术与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段。利用WDM实现网络交换和复用可望实现为了透明高度生存性的光联网。,2020/4/27,.,67,波分复用,目前利用WDM技术实现的SDH传输速率可以达到162.5Gbps。利用WDM（DWDM）技术提高光纤传输带宽已不是WDM发展的主要目标，当前主要的方向是利用WDM对光信号进行传输控制，路由选择，以实现全光网。国内光纤通信发展也非常迅速，光纤通信的应用基本达到国际同期水平。1999年5月，国产第一条最高速率国家一极通信干线“济南一青岛825G”DWDM通过验收。WDM本质上就是光域上的频分复用技术。单个光源的线宽只占用极窄的一部分，将不同峰值波长的光源信号同时在一根光纤上传输，则可大大增加光纤信息容量。由于波传播的相互独立性，每个不同峰值波长分别携带各自的电信号，被接收端转换成电信号时，可完整的恢复来自每个光源的独立信息。这就是波分复用的原理。,2020/4/27,.,68,波分复用,WDM将频域分割成若干个波长通路，每个通路独立传输光信号。在发送侧可以有N个不同发送波长的激光器，由合波器将这N个不同波长的信号光载波合并起来耦合进单根光纤进行传输：在接收侧，由一个分波器将这些不同信号的光载波分开，分别送给与这些波长相应的检测器中恢复各自的携带信息。,2020/4/27,.,69,波分复用,2020/4/27,.,70,密集波分复用,DWDM（密集波分复用）与WDM是不同发展时期对WDM系统的称呼。当光载波间隔非常窄（约几个nm时），通常就称为DWDM。早期由于技术原因，波长间隔较小的WDM无法实现。WDM主要工作于1310nm窗口，复用光载波个数也较少。随着1550nmEDFA（掺饵光纤放大器）的成熟和商用化，人们不再利用1310nm窗口，而只用1550nm窗口传送夺路光载波信号。相邻波长间隔很窄（小于1.6nm），且工作在同一窗口内共享EDFA光放大器，称之为密集波分复用（密集指相邻波长间隔小）。图10.18是典型的DWDM系统。在此系统中，每一种波长的光信号称为一个传输通道（channel）。每个通道都可以是一路155Mb/s、622Mb/s、25G/b甚至10Gbs的ATM或SDH或是千兆以太网信号等。DWDM提供了接口的协议和速率的无关性，在一条光纤上，可以同时支持ATM、SDH和千兆以太网，保护了已有投资，并提供了极大灵活性。,2020/4/27,.,71,密集波分复用,2020/4/27,.,72,密集波分复用,目前，在局域网中主要采用千兆以太网帧结构，此种格式下报头包含的网络状态信息不多，但由于没有使用一些造价昂贵的再生设备，因而成本相对较低。由于使用的是“异步”协议，对抖动和时延不那么敏感。同时由于与主机的帧结构相同，因而在路由器接口上下需对帧进行拆装分割（SAR）操作和为了使数据帧和传输帧同步的比特塞入操作。,2020/4/27,.,73,WDM的主要的研究课题,*如何使确认通道所需的时间最少。*如何使用户数据的传输时间最长。*对光纤带宽的有效利用，尽可能压缩不同频率通道。*多跳（Multihop）WDM网络的体系结构。,2020/4/27,.,74,IPoverWDM,IPoverSDH把SDH网络的物理传输网络。采用链路和PPP协议对IP规数据包进行封装。把IP数据包插入PPP帧中的信息段后映射到SDH的同步净荷中，再经过传输层和段层，将净荷装入SDH帧中。最后到达光层在光纤中传输。目前支持IPoverSDH的协议标准有PPP协议（ThePoint-to-PointProtocol）和简化的数据链路协议（SDL）等。IPoverSDH保留了IP无连接的特性，对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率。利用SDH技术对网络可靠性和稳定性支持较好。网络结构比IPoverATM要简单，运行费用低。但其对其他业务的支持井不理想，也无法提供象IPoverATM那样较好的服务质量保障。,2020/4/27,.,75,IPoverWDM,IPoverWDM，也称光因特网，是真正意义上的链路层数据网。利用WDM的传输技术，将数据信号复用至光纤中传输，到接收段解复用并送至不同终端。其中，高性能的路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。目前支持IPoverWDM的帧格式有SDH帧格式和千兆以太网格式两种。SDH帧格式报头信息全，便于网络管理，但是在路由器接口对SDH帧拆装分割耗费比较大，多在主要的网络再生设备上使用。在局域网中则多采用千兆以太网帧结构，其成本较低。但是由于使用的不是同步协议，对抖动和延时不敏感，因此在路由要接口为了使数据帧和传输帧同步需要进行比特赛入操作。,2020/4/27,.,76,IPoverWDM,与IPoverATM以及IPoverSDH相比，IPoverDWM对数据的格式、传输数车、以及调制方式完全透明，可以支持各种不同类型的业务，扩展性强。充分利用了光纤传输的巨大带宽资源，传输的数率高。目前对WDM系统的网络研究已经不仅仅是利用WDM技术进行点对点传输，而是考虑利用光信号本身波长特性，直接对数据信号进行路由选择等操作。这免了数据传输中光一电，电一光转化的耗费，进一步提高传输性能，从而最终实现“光网”。IPoverWDM将成为新一代IP主干网的主流。,2020/4/27,.,77,10.9千兆以太网技术的应用,对交换器到交换器连接的升级对交换器到服务器连接的升级骨干网升级对高性能的台式机升级,2020/4/27,.,78,10.10未来的10Gbps以太网,到目前为止，以太网的发展已经成功地实现了三个阶段：以太网（Ethernet）、快速以太网(FastEthernet)以及最近完成的千兆位以太网(GigabitEt